低轨道投掷角分辨的中能电子通量数据神经网络插补
地球辐射带中的能量电子与航天器的安全运行密切相关。电子的投掷角（即电子运动方向与地磁场方向的夹角）分布，蕴含着波粒相互作用、径向扩散等电子加速与损失过程的关键信息。风云三号E星（Fengyun-3E, FY-3E）搭载的中能电子探测器（Medium-Energy Electron Detector, MEED）具备投掷角分辨能力，其在中纬度地区的投掷角覆盖范围约为100°。将覆盖范围扩展至完整的180°，是进一步提升其数据应用价值的关键。
近日，北京大学地球与空间科学学院邹鸿研究团队与澳门科技大学叶雨光助理教授合作，利用机器学习技术，为FY-3E MEED投掷角分辨的电子通量数据建立了神经网络插补模型，将中纬度地区的投掷角覆盖范围从约100°扩展至180°。相关成果以“Neural Network Imputation of the Pitch-Angle-Resolved Medium-Energy Electron Flux Data in LEO”为题，发表于Space Weather。
FY-3E运行在约840 km高的低地球轨道上，它搭载的MEED采用小孔成像技术，由两套相互垂直的探头组件构成，共18个探测方向，可对30–600 keV的中能电子进行观测。由于卫星采用三轴稳定姿态控制方案，探测器视场方向相对星体固定，可覆盖的投掷角随卫星沿轨道运动而变化：在中纬度地区，MEED覆盖约100°（40°–140°）的投掷角范围（图1）。在低纬和高纬地区，覆盖范围有所扩大。
图1. FY-3E MEED第8能档（410–600 keV）覆盖的投掷角区间数全球分布（2022年2月），图中还标出了L壳与磁纬度（MLat）的等值线。中纬度部分区域可用的投掷角区间数为5，对应约100°的范围。
为获得边缘投掷角的电子通量数据，研究团队提出基于多层感知机（Multi-Layer Perceptron, MLP）的数据插补方法：以卫星位置信息（包括L壳、磁地方时（Magnetic Local Time, MLT）和磁纬度（Magnetic Latitude, MLat））以及90°附近投掷角区间已有的电子通量作为输入，重建0°和180°附近缺失的电子通量（图2）。0°–180°的投掷角范围共划分为9个区间（PA1–PA9，PA，Pitch Angle）。模型针对第7（280–410 keV）和第8能档（410–600 keV），以及四个边缘投掷角区间（PA1、PA2、PA8、PA9）分别训练，共建立8个插补模型。输入数据覆盖当前时刻前48小时内的57个时间步，并引入数据实际时间偏差dt作为附加特征，从而在不依赖太阳风参数和地磁指数等外部数据的情况下完成插补。
图2. 神经网络插补模型架构。模型包含输入层、三层隐藏层和输出层。输入特征包括卫星位置参数与已有投掷角区间的电子通量对数值，输出为待插补投掷角区间的电子通量对数值。
研究团队使用2021年7月至2023年10月的MEED数据（1分钟分辨率）对模型进行训练、验证与测试。在测试集上，8个模型的重构值与观测值的相关系数r介于0.915至0.975，对数尺度下的均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）介于0.081至0.110，预报效率（Prediction Efficiency, PE）介于0.835至0.950（图3），表明模型能够对缺失数据给出可靠估计。其中，第8能档PA8模型表现最佳：r达0.975，RMSE仅0.086，PE达0.950。
图3. E8 PA8插补模型重构值与观测值的相关性，以及8个模型在不同Lm范围的表现。（a）全部数据，（b）训练集，（c）验证集，（d）测试集，（e）–（g）8个模型在测试集上不同Lm范围（McIlwain L参数，三个区域大致对应内辐射带及南大西洋异常区、槽区与外辐射带）的r、PE和RMSE。
插补后的数据能够完整再现电子通量的时间演化。以2021年8月29日的一次通量增强事件为例（图4），观测数据在通量上升沿存在约12分钟的缺失，插补值完整填补了缺失时段，并与观测值自然衔接。由插补值与观测值共同构成的投掷角分布谱中，插补值随时间与投掷角的变化趋势和中间投掷角区间的观测值一致。
图4. 2021年8月29日FY-3E MEED第7能档观测值与插补值的对比。（a）–（d）PA9、PA8、PA2和PA1四个投掷角区间的电子通量曲线，黑点为观测值，红点为插补值，（e）观测值与插补值组成的电子投掷角分布谱，插补值由洋红色虚线框标出。
此外，研究团队还考察了不同地磁条件下模型的表现（图5）。在地磁平静时期，重构值与观测值的差异很小，插补值与观测值过渡自然。磁暴期间，模型误差有所增大，部分区域的最大差异在对数尺度下达0.4，但大部分区域的差异仍较小，插补值在统计意义上依然可信。
图5. 地磁平静和扰动时期E8 PA1模型的观测值、重构值与插补值的对比。第一、二列分别对应平静（SYM-H最小值约-20 nT）和扰动时期（SYM-H最小值约-100 nT），（a）和（b）SYM-H指数，（c）和（d）观测值，（e）和（f）重构值，（g）和（h）对数尺度下观测值与重构值的差值，（i）和（j）插补值，（k）和（l）观测值与插补值的叠加。图中洋红色线为Lm等值线。
从统计上看，应用插补模型后，0°–20°和160°–180°投掷角区间的数据缺失率从约60%下降至约7%，20°–40°和140°–160°区间的缺失率从约8%下降至约1%（图6）。MEED覆盖9个投掷角区间（对应180°）的区域也由此基本扩展至全球。
图6. 插补前后投掷角覆盖范围的对比。（a）插补后FY-3E MEED第8能档覆盖的投掷角区间数全球分布，可用投掷角区间数为9的区域基本覆盖全球，（b）8个插补模型对应数据缺失率在插补前后的变化。
为进一步检验插补值的可靠性，研究团队利用澳门科学一号卫星A星（Macao Science Satellite-1A, MSS-1A）能量电子谱仪（Energetic Electron Spectrometer, EES）的独立观测进行交叉比对：在两万余个时空匹配点上，插补后的MEED数据与EES观测的一致性较插补前明显提升。
本研究在不依赖太阳风参数与地磁指数等外部数据的情况下，扩展了FY-3E MEED的投掷角覆盖范围，提升了数据质量与可用性，可为辐射带电子研究以及低轨道中能电子现报与预报模型的建立提供更完整的数据支持。该插补思路还可推广至太阳风参数、地磁指数等其他空间物理数据的缺失填补。
作者信息
北京大学地球与空间科学学院博士研究生陈佳黎为本文的第一作者，通讯作者为北京大学邹鸿研究员。其他合作者包括澳门科技大学叶雨光助理教授以及北京大学地球与空间科学学院研究生孙家琛、李天浩。
论文链接
https://doi.org/10.1029/2026SW005039
论文信息
Chen, J.-L., Zou, H., Ye, Y.-G., Sun, J.-C., & Li, T.-H. (2026). Neural network imputation of the pitch-angle-resolved medium-energy electron flux data in LEO. Space Weather, 24, e2026SW005039. https://doi.org/10.1029/2026SW005039
